飞秒激光加工技术

其四是以掺杂稀土元素的SiO2为增益介质的飞秒光
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纤激光器。
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三、飞秒激光加工机理
1、加工机理
飞秒激光脉冲和材料作用过程中,材料中的电子通过 对入射激光的多光子非线性吸收方式获得受激能量, 获得的能量仅在几个纳米厚度的吸收层上迅速聚积, 作用区域内的温度瞬间急剧上升,并远远超过材料的 熔化和汽化温度值,使物质发生高度电离,最终处于前 所未有的高温、高压和高密度的等离子体状态;
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其二是以掺钛蓝宝石，Li：16 SAF，掺镁橄榄石等固体材
其三是以多量子阱材料为代表的飞秒半导体激光器。
超短脉冲半导体激光器的研究在很长时间里始终没 有跨越皮秒级，直到将多量子阱材料引入到短脉冲 半导体激光器中，才使超短脉冲半导体激光器成为 飞秒激光家庭中的重要成员。飞秒半导体激光器主 要应用于高比特多路通信，超长距孤子光纤通信等 领域。
大约相当于8飞秒。
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3、飞秒激光
飞秒激光是一种以脉冲形式运转的激光，持续时间 非常短，只有几个飞秒。
我们知道光一秒钟可穿越30万千米，但它在100飞秒 的时间内，只能通过人的头发直径那么短的距离。 所以飞秒激光的脉冲也非常短，目前已经达到了4fs 以内（可见光-近红外波段）。
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连续激光
的功率密度约达到
1.0MW/cm2时，由于高强
度光场与介质的相互作用，
导致光束自聚焦，产生光
克尔透镜效应。由于光克
尔透镜和光阑（狭缝）构
成的幅度调制器的作用，
使脉冲前沿和后沿的损耗
大于中部峰值损耗，从而
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13 使脉冲压缩。这种脉冲光
然后再由色散补偿进一步产生更短的脉冲。色散补偿与 自相位调制和克尔透镜相结合，使各种锁模机制之间达 到最佳平衡，最终才能输出稳定的飞秒激光脉冲。
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这是我们我们生活中 常见的激光器。 属于半导体激光器。
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2、飞秒 飞秒是一个时间单位。一飞秒就是10的负15次方秒。
也就是1/1000万亿秒。 我们知道宇宙年龄有多大？ 答案： 140多亿年。 一小时相对宇宙年龄有多短？ 答案：8×10-15 也就是说如果把宇宙的年龄比作一秒，那么一小时
飞秒激光加工技术
机研133张国召
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主要内容
1、什么是飞秒激光 2、如何产生飞秒激光 3、飞秒激光加工机理 4、飞秒加工的应用
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一、什么是飞秒激光
1、激光
组成物质的原子中，有不同数量的粒子（电子）分 布在不同的能级上，在高能级上的粒子受到某种光 子的激发，会从高能级跳到（跃迁）到低能级上， 这时将会辐射出与激发它的光相同性质的光，这就 叫做“受激辐射的光放大”，简称激光。
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Baidu Nhomakorabea
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长脉冲激光加工过程
飞秒脉冲激光加工过程
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4）加工尺寸的亚微米特性和3D空间分辨性 飞秒加工可以突破光束衍射极限的限制，实现尺寸
式得到去除,实现了激光对材料的非热熔性加工.
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2、加工特点
1）可加工材料广泛
当脉冲持续时间足够短、峰值足够高时,飞秒激光可 以实现对任何材料的精细加工、修复和处理,而与材 料的种类和特性无关。
2）非热熔性
最重要的特征。激光在极短的时间和极小的空间内
与物质相互作用，作用区域内的温度在瞬间内急剧
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二、如何产生飞秒激光
1、普通激光的产生
1960年，由Maiman实现第一台激光器：红宝石激光器。
红宝石激光器结构原理图
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2、飞秒激光脉冲产生原理
（1）飞秒脉冲激光技术
普通激光器产生的是连续的激光，要压缩成脉冲的 形式飞秒激光器在此基础上还需要锁模元件、色散补 偿元件
1）调Q技术
调节谐振腔的品质因数Q，使受激辐射迅速地形成和增 强，从而输出强大的激光脉冲。
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2）锁模技术
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3）色散补偿
从腔内输出的飞秒光 脉冲越短，脉冲光谱带越 宽；影响进一步压缩；为 使激光器产生更短的光脉 冲，必须在腔内插入补偿 元件。
(2)产生原理
以KLM锁模掺钛蓝宝石激
光器为例
KLM锁模掺钛蓝宝石激光器实物图
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掺钛蓝宝石飞秒激光器在
足够高的泵浦强度下工作，
腔内激光在钛宝石晶体中
（3）飞秒激光器 飞秒激光器目前主要存在四大类别：
其一是由有机染料为介质的飞秒染料激光器。
不同染料可以输出不同波长的飞秒激光脉冲，它覆盖了 从紫外到近红外波段，但最有效的还是集中在红光波段。 随着固体、半导体、光纤飞秒激光器的崛起，飞秒染料 激光器在红外和紫外波段已经失去了竞争能力，但在可 见波段，特别是在红光区域仍被广泛的应用在时间分辨 光谱，半导体载流子快速弛豫过程和化学反应动力学过 程的研究中。
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脉冲激光
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4、飞秒激光特点
1)、飞秒激光有非常高的瞬间功率，它的瞬间功率 可达百万亿瓦，比目前全世界的发电总功率还要多
出上百倍;
2)、物质在飞秒激光的作用下会产生非常奇特的现 象，气态的物质、液态的物质、固态的物质瞬间都
会变成等离子体;
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3)、飞秒激光具有 精确的靶向聚焦定 位特点，能够聚焦 到比头发的直径还 要小的多的超细微 空间区域;
由于受辐射持续时间只有飞秒量级(10-15s),远小于材 料中受激电子通过转移、转化等形式的能量释放时 间,因而从根本上避免了热扩散的存在和影响;
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同时飞秒量级脉冲有着非常高的瞬时功率,产生的光 电场强度比原子内部库仑场高数倍,材料内部原有的 束缚力已不足以遏止高密度离子、电子的迅速膨胀, 最终使作用区域内的材料以等离子体向外喷发的形
上升，并以等离子体向外喷发的形式得到去除。严
格避免了热熔化的存在，大大减弱和消除了传统加
工中热效应带来的诸多负面影响。
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3）加工过程的准确性
每一个激光脉冲与物质相互作用的持续期内避免了 热扩散的存在,在根本上消除了类似于长脉冲加工过 程中的熔融区、热影响区、冲击波等多种效应对周 围材料造成的影响和热损伤，将加工过程所涉及的 空间范围大大缩小，从而提高了激光加工的准确程 度，即运用飞秒加工决不会“伤及无辜”。
KLM锁模原理图
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克尔透镜锁模是由于增益
介质非线性克尔效应引起
光束的自聚焦，使高强度
光束更有效地通过腔内的
孔，即对高脉冲强度产生
低损耗，低强度的光束产
生高的损耗。这种有效的
类饱和吸收行为是通过克
尔介质的自聚焦效应和孔
共同作用产生的。由于与
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15 光强度有关的折射率变化，
克尔效应产生了依赖于光